明治大学 先端数理科学研究科 現象数理学専攻 2019年8月実施 微积分
Author
思齐塾, 祭音Myyura
Description
C2 級の関数 f:(0,∞)→R に対して、関数 u を
u(x,y,z)=f(x2+y2+z2)((x,y,z)=(0,0,0))
で定めるとき、以下の問いに答えよ。
(1) ∂x∂u を f を用いて表せ。
(2) ∂x2∂2u+∂y2∂2u+∂z2∂2u を f を用いて表せ。
(3) ∂x2∂2u+∂y2∂2u+∂z2∂2u=0 が成り立つならば、ある定数 C1,C2 を用いて
u(x,y,z)=x2+y2+z2C1+C2
と表されることを示せ。
(4) 原点中心の半径1の球を Ω とするとき、次の積分の値を計算せよ。
I=∭Ωx2+y2+z2dxdydz
题目描述
设 f:(0,∞)→R 为 C2 类函数,并对 (x,y,z)=(0,0,0) 定义
u(x,y,z)=f(x2+y2+z2).
回答下列问题。
(1) 用 f 表示 ∂x∂u。
(2) 用 f 表示
∂x2∂2u+∂y2∂2u+∂z2∂2u.
(3) 若
∂x2∂2u+∂y2∂2u+∂z2∂2u=0,
证明存在常数 C1,C2,使
u(x,y,z)=x2+y2+z2C1+C2.
(4) 设 Ω 为以原点为球心、半径为 1 的球体,计算
I=∭Ωx2+y2+z2dxdydz.
Kai
(1) Let r=x2+y2+z2 . Then u(x,y,z)=f(r) .
∂x∂u=∂r∂f∂x∂r=f′(r)⋅x2+y2+z2x=rxf′(r)
(2)
∂x2∂2u=∂x∂(rxf′(r))=r1f′(r)+x∂x∂(rf′(r))=r1f′(r)+x(r2f′′(r)rxr−f′(r)rx)=r1f′(r)+r2x2f′′(r)−r3x2f′(r)
Similarly,
∂y2∂2u=r1f′(r)+r2y2f′′(r)−r3y2f′(r)
∂z2∂2u=r1f′(r)+r2z2f′′(r)−r3z2f′(r)
Therefore,
∂x2∂2u+∂y2∂2u+∂z2∂2u=r3f′(r)+r2x2+y2+z2f′′(r)−r3x2+y2+z2f′(r)=r3f′(r)+f′′(r)−r1f′(r)=f′′(r)+r2f′(r)
(3) If ∂x2∂2u+∂y2∂2u+∂z2∂2u=0 , then f′′(r)+r2f′(r)=0 . Let g(r)=f′(r) . Then g′(r)+r2g(r)=0 .
g(r)g′(r)=−r2⇒ln∣g(r)∣=−2ln∣r∣+C=lnr21+C⇒g(r)=f′(r)=r2C1
Thus, f(r)=∫r2C1dr=−rC1+C2 . Therefore, u(x,y,z)=−x2+y2+z2C1+C2=x2+y2+z2C1′+C2 for some constant C1′=−C1 .
(4) In spherical coordinates, x=ρsinϕcosθ , y=ρsinϕsinθ , z=ρcosϕ , where 0≤ρ≤1 , 0≤ϕ≤π , 0≤θ≤2π . Then x2+y2+z2=ρ2 , and dxdydz=ρ2sinϕdρdϕdθ .
I=∭Ωx2+y2+z2dxdydz=∫01∫0π∫02πρ2ρ2sinϕdθdϕdρ=∫01∫0π∫02πρsinϕdθdϕdρ
=∫01ρdρ∫0πsinϕdϕ∫02πdθ=[2ρ2]01⋅[−cosϕ]0π⋅[θ]02π=21⋅(1+1)⋅2π=2π